袁嘉栗 曹家寶 何勝文 胡江偉

0 引言

受極端高溫干旱等影響，森林火災(zāi)在各地頻繁發(fā)生。目前我國在森林防火監(jiān)測預(yù)警救援方面雖然已有長足發(fā)展，但仍存在預(yù)測難、發(fā)現(xiàn)晚、救援難、損失大等問題，因此如何通過科學(xué)手段減少火災(zāi)發(fā)生、減少災(zāi)后損失，是挽救國家人民生命財產(chǎn)安全，有效提升我國林火綜合監(jiān)控能力的重大研究課題。

本文針對森林防火應(yīng)急救援需求，采用天空基遙感、北斗定位、多網(wǎng)通信、移動指揮手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)、高性能計算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，為森林火情預(yù)報、發(fā)現(xiàn)、救援和評估提供重要技術(shù)支撐。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 林火監(jiān)測手段應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在森林火災(zāi)持續(xù)時間短、影響范圍大的情況下，常常采用實地測量、調(diào)查或空中飛行等航空手段進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測，然而這些方法獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高，而且不具備實時性。而目前的林火監(jiān)測常采用多手段融合的方法，利用衛(wèi)星遙感、航空遙感和地面攝像機(jī)可以解決復(fù)雜地形所帶來的預(yù)測誤差大、預(yù)警不及時、監(jiān)測不到位、識別不準(zhǔn)確等難題，同時這對于應(yīng)急指揮救援和災(zāi)后評估來說都是非常高效的。

1.2 火點識別能力現(xiàn)狀

目前，利用遙感技術(shù)、熱紅外技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行火點識別已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。遙感技術(shù)能夠提供覆蓋廣闊和實時監(jiān)測的遙感圖像，深度學(xué)習(xí)算法通過訓(xùn)練大規(guī)模的火點遙感圖像數(shù)據(jù)集，能夠?qū)W習(xí)到火點的特征和模式，實現(xiàn)在新圖像中的準(zhǔn)確檢測和主動識別，從而為應(yīng)急救援提供可靠參考資料。熱紅外技術(shù)則通過探測火災(zāi)釋放的紅外輻射，能夠在夜間或煙霧較多的情況下準(zhǔn)確識別火點。但是，在防滅火和應(yīng)急救援過程中往往需要多角度、多手段、多方位的火點識別結(jié)果為行動的參考依據(jù)，多源手段融合進(jìn)行火點識別依然是未來火點識別的要點。

1.3 航空遙感林火監(jiān)測研究現(xiàn)狀

航空遙感具備分辨率高、機(jī)動性強(qiáng)等特點。無人機(jī)航拍作業(yè)是目前完成森林防火和火點應(yīng)急監(jiān)測救援任務(wù)的重要技術(shù)手段，但航拍視頻的每一幀圖像只能展示較小范圍的地表信息，無法將完整的測繪或監(jiān)測區(qū)域的地表信息進(jìn)行整體呈現(xiàn)；對航拍圖像進(jìn)行拼接雖然可以生成地理覆蓋范圍較大的影像數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)的圖像拼接工作均是在飛行作業(yè)完成后進(jìn)行，且需專業(yè)人員進(jìn)行長時間的操作，實時性較差。利用改進(jìn)模型估計的無人機(jī)偵察視頻快速拼接方法，能實時快速地輸出覆蓋范圍較大并附帶地理坐標(biāo)信息的影像數(shù)據(jù)，提高了拼接速度，同時改善了拼接效果[1]。

1.4 邊遠(yuǎn)林區(qū)應(yīng)急通信研究現(xiàn)狀

森林火災(zāi)部分發(fā)生在人跡罕見的地方，通信設(shè)備稀少，信號較弱。在火場前線指揮中，衛(wèi)星通信、無人機(jī)自組網(wǎng)和地面公共網(wǎng)絡(luò)成為主要通信手段。但是，在斷電、斷路、斷網(wǎng)的極端惡劣條件下“應(yīng)急指揮調(diào)度最后一公里”仍是火場前線指揮部所面臨的重大待解決問題[2]。

1.5 林火救援指揮研究現(xiàn)狀

在撲火指揮決策中，對極端林火行為進(jìn)行預(yù)測是一項至關(guān)重要的任務(wù)。目前國內(nèi)外關(guān)于森林火災(zāi)行為的研究主要集中于理論模型構(gòu)建及應(yīng)用方面。利用多種基于數(shù)據(jù)的計算方法，結(jié)合實時氣象信息和計算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)提供的多種碼值和數(shù)據(jù)，可以預(yù)測森林火災(zāi)的蔓延趨勢，并計算出林火行為的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)森林火災(zāi)救援問題的獨特性質(zhì)，根據(jù)不同火災(zāi)點的嚴(yán)重程度和火勢的蔓延速度，將火災(zāi)救援任務(wù)劃分為多個不同的優(yōu)先級級別?；谠搫澐郑瑯?gòu)建一個混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，旨在最小化消防車輛的救援時間，從而實現(xiàn)消防救援車輛路徑的優(yōu)化[3]。

2 天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星資源籌劃與接收處理、衛(wèi)星遙感監(jiān)測預(yù)報預(yù)警、多手段林火識別、動態(tài)實時監(jiān)測、應(yīng)急通信指揮、應(yīng)急救援指揮決策與災(zāi)后評估以及運(yùn)行支撐等分系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)在日常模式下通過衛(wèi)星遙感等手段進(jìn)行火險火點監(jiān)測預(yù)警；在監(jiān)測到可疑火點或收到舉報后進(jìn)入應(yīng)急模式；通過衛(wèi)星、無人機(jī)、地面攝像裝備對可疑火點進(jìn)行驗證，并將驗證結(jié)果上報后端指揮中心；指揮中心通過衛(wèi)星遙感、航空遙感和地面攝像頭對火點進(jìn)行動態(tài)實時監(jiān)測，同時指揮中心調(diào)動通信設(shè)備進(jìn)行動態(tài)救援指揮。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

2.1 衛(wèi)星資源籌劃與接收處理分系統(tǒng)

衛(wèi)星資源籌劃與接收處理分系統(tǒng)主要在日常模式下，以風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星、日本向日葵8 氣象衛(wèi)星、韓國GK2A靜止衛(wèi)星為主，以風(fēng)云三號、NPP 等極軌衛(wèi)星為輔，開展全國范圍的林火監(jiān)控業(yè)務(wù)；在應(yīng)急模式下，統(tǒng)籌全部衛(wèi)星資源進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測預(yù)報預(yù)警分系統(tǒng)

2.2.1 森林火險監(jiān)測預(yù)報分析子系統(tǒng)

森林火險監(jiān)測預(yù)報分析子系統(tǒng)從氣象監(jiān)測站、氣象衛(wèi)星中獲取氣象數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)推送數(shù)值模式系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，計算FWX 指數(shù)，同時根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、林相數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，劃分出1～5 的火險等級，生成全國范圍火險等級圖，為向救援指揮人員進(jìn)行火險等級預(yù)報提供支撐[4]。

2.2.2 森林火點識別與成果分析應(yīng)用子系統(tǒng)

森林火點識別與成果分析應(yīng)用子系統(tǒng)主要利用FY4、Himawari-8、GK2A 等衛(wèi)星資料高頻次及高空間分辨率觀測的特點，實現(xiàn)火點的自動檢測，保存并制作火情監(jiān)測圖形圖像產(chǎn)品，提高火點監(jiān)測時效性。

2.3 多手段林火驗證分系統(tǒng)

2.3.1 多源衛(wèi)星驗證子系統(tǒng)

在靜止衛(wèi)星識別到林火之后，將該系統(tǒng)生成的疑似火點位置信息上報到衛(wèi)星籌劃與數(shù)據(jù)接受分系統(tǒng)，并調(diào)度極軌/高分等衛(wèi)星進(jìn)行二次驗證，從而獲取目標(biāo)區(qū)域火點詳細(xì)情況，通過影像分析，完成假火點排除，實現(xiàn)林火的驗證確認(rèn)。

2.3.2 航空遙感驗證子系統(tǒng)

航空遙感驗證子系統(tǒng)通過無人值守?zé)o人機(jī)系統(tǒng)對疑似火點位置航線自動規(guī)劃，自主前往目標(biāo)區(qū)域采集視頻，并采用一種基于運(yùn)動編碼的方法實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)的同步實時回傳[5]。應(yīng)急指揮中心通過視頻實時拼接技術(shù)，快速地輸出覆蓋范圍較大并附帶地理編碼信息的影像數(shù)據(jù)，同時依據(jù)地理編碼信息和重疊度實現(xiàn)關(guān)鍵幀的提取[6]，再根據(jù)火點識別算法獲取目標(biāo)區(qū)域火點詳細(xì)情況。

2.3.3 地面識別攝像機(jī)驗證子系統(tǒng)

配備的熱成像夜視儀熱成像視頻能看到熱源超過地表溫度時所有熱源，并且能錄像及圖像抓拍。通過前端網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字云臺的旋轉(zhuǎn)角度，焦距和位置來精確地確定火點出現(xiàn)的方位角及距離，并在電子地圖中，對火點進(jìn)行自動定位并精確地標(biāo)注其位置。

2.4 動態(tài)實時監(jiān)測分系統(tǒng)

2.4.1 衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

利用衛(wèi)星遙感的實時監(jiān)測能力，及時獲取火災(zāi)信息并采取緊急措施，同時根據(jù)衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的多個火災(zāi)點和潛在危險區(qū)域，提供全面的火災(zāi)信息和準(zhǔn)確評估火災(zāi)的擴(kuò)散趨勢和影響范圍，為及時疏散人群和指揮救援提供依據(jù)。

2.4.2 航空遙感動態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

無人機(jī)快速部署和操控，實時獲取火災(zāi)現(xiàn)場的高分辨率圖像和視頻數(shù)據(jù)，并將災(zāi)情信息實時傳輸給火場前線指揮部，促使迅速的應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)害管理。利用消防無人機(jī)自帶的定位系統(tǒng)實現(xiàn)對火災(zāi)的定位,然后通過對火燒持續(xù)時間、火場像素面積間接衡量火場強(qiáng)度信息，最后,結(jié)合著火點位置進(jìn)行火場蔓延趨勢的預(yù)測[7]。

2.4.3 地面攝像動態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

地面攝像機(jī)實時監(jiān)測火災(zāi)的起火點和火勢擴(kuò)展情況，通過連續(xù)拍攝和實時傳輸為火場前線指揮部相關(guān)工作組提供高分辨率的實時視頻監(jiān)控，同時與其他監(jiān)測設(shè)備和傳感器相結(jié)合，形成多元化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提供更全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2.5 林火通信指揮分系統(tǒng)

推進(jìn)森林防火有線網(wǎng)、無線網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)的深度融合，以全國信息網(wǎng)為支撐，實現(xiàn)要素整合、信息共享和功能擴(kuò)展，從而促進(jìn)森林防火的可持續(xù)發(fā)展。

2.5.1 火場通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

火場通信系統(tǒng)主要針對的是前后方各級調(diào)度指揮語音網(wǎng)的組織建設(shè)，目前以火災(zāi)撲救小隊為基礎(chǔ)組成，主要以通信超短波加中繼的方式實現(xiàn)區(qū)域通信，但同時由于信號覆蓋范圍的問題存在通信距離短的弊端。在此基礎(chǔ)上，用短波通信作為超短波通信的補(bǔ)充，利用分組節(jié)點的短波電臺實現(xiàn)以戰(zhàn)斗小組為單元的遠(yuǎn)程無線調(diào)度[8]。

2.5.2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

構(gòu)建以通信衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)為核心、新一代移動通信衛(wèi)星為補(bǔ)充的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。同時配備視頻圖傳系統(tǒng)以實現(xiàn)重要火場音、視頻及其他重要信息的實時傳送，從而建立了星地結(jié)合的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。省級及重點地級市要建成衛(wèi)星固定小站、衛(wèi)星便攜站和視頻圖傳系統(tǒng)；大范圍林區(qū)、偏遠(yuǎn)林區(qū)，尤其是公網(wǎng)覆蓋率不高的縣級單位都要配置衛(wèi)星便攜站和視頻圖傳系統(tǒng)；縣以上森林防火機(jī)構(gòu)安裝衛(wèi)星電話終端；森林防火指揮中心將安裝北斗指揮機(jī)，各防火部門及專業(yè)隊伍按需安裝車載、機(jī)載北斗設(shè)備及北斗手持機(jī)。

2.5.3 應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)

為滿足撲救重特大林火和重要敏感區(qū)林火的需求，計劃建設(shè)集超短波，短波與衛(wèi)星于一體的應(yīng)急通信系統(tǒng)。

通過該系統(tǒng)對火場區(qū)域組網(wǎng)能力進(jìn)行了增強(qiáng)，同時在各級指揮中心之間設(shè)置了語音、數(shù)據(jù)、圖像等各類信息傳輸通道以保證信息通暢，以適應(yīng)撲火前期指揮調(diào)度需要。在應(yīng)急指揮通信實際工作中，依靠可視調(diào)度及移動視頻技術(shù)將調(diào)度中心和現(xiàn)場緊密地聯(lián)系起來，使應(yīng)急指揮更加精準(zhǔn)有效，這一系統(tǒng)將使指揮中心能實時掌握火場情況和迅速作出決策來應(yīng)對森林火災(zāi)帶來的各種挑戰(zhàn)[9]。

2.6 林火應(yīng)急救援輔助決策分系統(tǒng)

2.6.1 林火救援輔助決策分析子系統(tǒng)

林火救援輔助決策分析子系統(tǒng)是以植被類型，風(fēng)力風(fēng)向和地形條件為主要依據(jù)，對地圖中林火進(jìn)行多種情況下的動態(tài)模擬，利用模型進(jìn)行動態(tài)計算，自動產(chǎn)生對火情發(fā)展和蔓延預(yù)測結(jié)果，為火災(zāi)撲救指揮工作提供重要參考依據(jù)。

2.6.2 林火應(yīng)急救援指揮與在線監(jiān)督子系統(tǒng)

林火應(yīng)急救援指揮與在線監(jiān)督子系統(tǒng)主要利用帶北斗定位的對講機(jī)在森林中保持聯(lián)絡(luò)，并與指揮中心傳遞空間位置信息，便于指揮中心了解各撲火的位置、分布。并在二三維一體化的指揮沙盤上電子展示，及時掌握當(dāng)前火勢蔓延范圍、火勢強(qiáng)度等信息，利于指揮人員了解撲火相關(guān)資源、人員分布，并快速做出更為完善的撲火任務(wù)部署[10]；同時消防員可通過手持終端進(jìn)行制定巡查與逃生避難路線。

2.6.3 災(zāi)損評估子系統(tǒng)

對林火后情況進(jìn)行損失評估及檔案整理，根據(jù)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)確定受災(zāi)范圍，通過過火范圍，自動計算過火面積、過火日期、過火時間等，并計算出森林資源損失，對受災(zāi)林業(yè)面積，受災(zāi)程度等做出定量評估，供決策部門參考。

2.7 運(yùn)行支撐分系統(tǒng)

運(yùn)行支撐分系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)云存儲、高性能計算、網(wǎng)絡(luò)集成等先進(jìn)技術(shù)，建設(shè)林火監(jiān)控大廳、大數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)中心。

林火監(jiān)控大廳主要包括監(jiān)控大屏、視頻會議、錄音設(shè)備等裝備組成。通過監(jiān)控大屏可完成火險火點監(jiān)控、火勢蔓延仿真、救援指揮部署等工作；通過視頻會議和錄音設(shè)備可實現(xiàn)與各級應(yīng)急管理部門會商，現(xiàn)場消防隊員通信指揮等，實現(xiàn)林火救援部署決策指揮。

大數(shù)據(jù)中心主要采用主備策略完成對存儲服務(wù)器組、計算服務(wù)器組、各分系統(tǒng)軟件部署和數(shù)據(jù)庫軟件等部署。存儲服務(wù)器組主要完成遙感影像與林火業(yè)務(wù)信息存儲，部署計算服務(wù)器組完成日常衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自動化并行處理與火點分析等工作。

網(wǎng)絡(luò)中心主要由有線網(wǎng)、衛(wèi)星通信終端、無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈終端、5G 終端等組成，實現(xiàn)與上下級、前后方互聯(lián)互通。各級部門也可通過有線網(wǎng)等方式訪問大數(shù)據(jù)中心，獲取林火監(jiān)控數(shù)據(jù)資源。

森林防火應(yīng)急救援指揮體系圍繞災(zāi)前預(yù)防、預(yù)警和預(yù)測，災(zāi)時動態(tài)監(jiān)測、實時上報、緊急救援和合理調(diào)度，災(zāi)后災(zāi)損評估進(jìn)行。在火場指揮救援過程中，各級指揮部、基層指揮部、撲火隊伍等多級協(xié)同作戰(zhàn)，確?；馂?zāi)撲救工作的高效進(jìn)行。

3 結(jié)語

本文針對森林防火應(yīng)急救援需求，采用通導(dǎo)遙一體化手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)、高性能計算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，有效提升了森林防火監(jiān)控預(yù)警能力，為森林火情預(yù)報、發(fā)現(xiàn)、救援和評估提供技術(shù)支撐。